胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 

 

摘要：隨著變配電系統(tǒng)中6kV～35kV中低壓開關(guān)柜的廣泛應(yīng)用，由開關(guān)柜內(nèi)因弧光短路故障而引發(fā)供配電設(shè)備損壞事故目益增多。本文根據(jù)在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故，結(jié)合相關(guān)理論分析了弧光短路故障的成因及特征，介紹了在實(shí)際工程使用電弧光保護(hù)裝置來減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：弧光短路；中低壓開關(guān)柜；供配電設(shè)備；事故；電弧光保護(hù)

 

       隨著變配電系統(tǒng)中6kV一35kV中低壓開關(guān)柜的廣泛應(yīng)用，由開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生弧光短路故障而引發(fā)的供配電設(shè)備損壞事故Et益增多。中低壓開關(guān)柜在內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，必然出現(xiàn)電弧光的現(xiàn)象，而電弧光是供電設(shè)備損壞的能量來源。目前電網(wǎng)內(nèi)無人值守的變電站數(shù)量迅速增多，但存在保護(hù)不完善的弱點(diǎn)，由于開關(guān)柜的弧光短路故障沒有得到及時(shí)清除，發(fā)展為中低壓母線故障，事故范同擴(kuò)大，弧光短路故障的高溫、高壓、高能通常會(huì)燒毀整段母線設(shè)備，造成變電站供電區(qū)域大面積停電的嚴(yán)重事故，進(jìn)而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在6kV～35kV中低壓開關(guān)柜內(nèi)安裝快速、可靠的電弧光保護(hù)裝置，快速檢測并切除開關(guān)柜內(nèi)的弧光短路故障，防止事故擴(kuò)大，提高供電可靠性是十分有必要的。

本文根據(jù)在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故，結(jié)合相關(guān)理論分析了弧光短路故障的成因及特征，介紹在實(shí)際工程使用電弧光保護(hù)裝置來減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術(shù)措施。

       電弧光短路故障是電力系統(tǒng)中比較常見的故障，絕緣損壞、外來物體進(jìn)入、人為操作失誤、設(shè)備老化以及系統(tǒng)方面的原因都可能引起電弧光短路故障。電弧是放電過程中發(fā)生的一種現(xiàn)象，當(dāng)兩點(diǎn)之間的電壓超過其工頻絕緣強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生。當(dāng)兩點(diǎn)之間的電壓升高時(shí)，在電近處空氣中的正負(fù)離子被電場加速，在移動(dòng)過程中與其它空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為“電離"，空氣被電離的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為弧光放電。弧光放電一般不需要很高的電壓，屬于低電壓大電流放電。只要放電點(diǎn)兩端的電壓提供的能量足以補(bǔ)償熱損耗并維持適當(dāng)?shù)臏囟葪l件，電弧將會(huì)持續(xù)發(fā)生如果電弧被拉長和冷卻，電弧會(huì)因維持它的必要條件缺，大進(jìn)而熄滅。弧光放電按電弧發(fā)生的不同部分可分為帶電導(dǎo)體問的電弧、帶電導(dǎo)體與地之間的電弧和絕緣表面的爬電。電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時(shí)間，電弧產(chǎn)生的能量與It成指數(shù)規(guī)律快速上升(如圖1所示)按IEC一62271—200標(biāo)準(zhǔn)和IEEEC37．20．7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定．開關(guān)柜能承受內(nèi)部放電燃弧的時(shí)間僅為lOOms，目前市場上銷售的開關(guān)柜基本是按照IEC標(biāo)準(zhǔn)制造，當(dāng)總切除時(shí)間大于lOOms時(shí)．將會(huì)對設(shè)備造成不同程度的損害。實(shí)際中，當(dāng)中低壓開父柜內(nèi)發(fā)生弧光短路時(shí)，南于電弧電阻的原岡，短路電流往往達(dá)不到過流、速斷整定值而不能快速動(dòng)作切斷故障、電弧持續(xù)燃燒的結(jié)果是釋放m巨大的能量。由于沒有得到及時(shí)清除，發(fā)展為中壓母線故障，燒毀開關(guān)柜，造成變電站停電。

       中低壓殲關(guān)柜柜體內(nèi)形成電弧的過程可分為4個(gè)階段。1)壓縮階段：電弧占據(jù)了整個(gè)空氣空間．柜內(nèi)的空氣被加熱；2)擴(kuò)展階段：柜體內(nèi)壓力增加，在這個(gè)階段其壓力達(dá)到大值．并因?yàn)闊峥諝獾尼尫哦_始減弱；3)發(fā)射階段：由于電弧能量的持續(xù)釋放．幾乎所有的柜內(nèi)空氣被壓力擠壓出去；4)發(fā)熱階段：在驅(qū)逐出空氣后，柜內(nèi)的溫度幾乎達(dá)到電弧的溫度，直至熄滅。此時(shí)，所有金屬和絕緣體在受到產(chǎn)生的氣體、炯霧和溶蝕物質(zhì)顆粒的侵蝕后融為一體。

       發(fā)生電弧的故障點(diǎn)局部高溫達(dá)2000℃一3000℃，可輕易引燃周邊可燃物質(zhì)，不僅可能燒毀開關(guān)設(shè)備、導(dǎo)線、電纜，更甚者可能引起惡性電氣短路，引發(fā)火災(zāi)。在有人值守運(yùn)行的場所，電弧光還可能會(huì)對運(yùn)行人員產(chǎn)生強(qiáng)光、燒傷、輻射、有毒氣體等人身傷害。

       近年來．新疆油田電網(wǎng)發(fā)生多起無人值守變電站內(nèi)弧光短路故障引發(fā)火災(zāi)，燒毀電氣設(shè)備，造成變電站停電的事故。以新疆油田電網(wǎng)中發(fā)生的近一次弧光短路引發(fā)變電站火災(zāi)事故為例，負(fù)責(zé)新疆油田供電的陸梁35kV變電站內(nèi)35kV電壓互感器發(fā)生c相接地，導(dǎo)致非接地相相電樂升高，擊穿電壓互感器B相絕緣薄弱點(diǎn)后．發(fā)生BC相短路，上級l10kV變電站線路保護(hù)動(dòng)作，35kV線路停電，BC相短路消除，隨后線路重合閘動(dòng)作，開關(guān)重合后，35kV變電站恢復(fù)送電，但站內(nèi)存在單相接地故障持續(xù)約20min，再次發(fā)生BC相短路，上級110kV變電站保護(hù)動(dòng)作，斷路器斷開故障電流，重合閘起動(dòng)，母線保護(hù)動(dòng)作，斷開故障電流。由于該35kV變電站是無人值守變電站，運(yùn)行人員趕到現(xiàn)場時(shí)，變電站內(nèi)35kV配電室已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)．35kVI段母線上開關(guān)柜大部分被燒毀，變電站供電區(qū)域內(nèi)的油田生產(chǎn)設(shè)施全部因停電停運(yùn)，給油田生產(chǎn)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

究其原因，目前新疆油田電網(wǎng)電力系統(tǒng)6kV～35kV中性點(diǎn)采用的是不接地運(yùn)行方式，根據(jù)《電氣事故處理規(guī)程》的規(guī)定，在出現(xiàn)單相金屬性接地時(shí)，可以運(yùn)行1h-2h，在出現(xiàn)單相弧光接地時(shí)可以運(yùn)行15min,上述事故變電站在出現(xiàn)單相接地短路后仍然運(yùn)行20min左右．沒有及時(shí)切除弧光短路故障，直到相問弧光短路燒毀開關(guān)柜設(shè)備，導(dǎo)致上級變電站保護(hù)動(dòng)作。由此可見在實(shí)際作中一旦產(chǎn)生弧光接地，過電壓以及大的接地電流對電氣設(shè)備的損壞是十分迅速的。本次事故短路點(diǎn)發(fā)生在連接于35kV時(shí)線的電壓互感器上，故障很快波及到母線．但在目前保護(hù)配置中．中低壓開關(guān)柜內(nèi)母線沒有配置母線保護(hù)，母線上儲(chǔ)現(xiàn)短路故障只能依靠上的保護(hù)動(dòng)作(如變壓器的后備過流保護(hù))，動(dòng)作時(shí)間為1.4s～2.0s，無法滿足快速切除母線故障的要求，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，開關(guān)設(shè)備損毀。從電網(wǎng)宏觀層面分析，隨著近些年電網(wǎng)內(nèi)電力電纜使用數(shù)量的逐漸增多，在電力電纜與大地之間存在等效電容，其單相接地電容電流已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)大的程度，發(fā)生事故的變電站單相接地電流經(jīng)過計(jì)算約為22A，正好處在及其容易發(fā)生單相弧光接地電流10A～30A的區(qū)間內(nèi)，從而引發(fā)弧光短路故障。

       新疆油田電網(wǎng)中近年來發(fā)生35kV變電站因?yàn)榛」舛搪饭收弦l(fā)停電事故．經(jīng)分析都是南單相弧光接地引起過電壓，弧光接地在接地點(diǎn)造成弧光間隙性反復(fù)燃燒，而產(chǎn)生的過電壓倍數(shù)可達(dá)到正常相電壓幅值的3倍～3.5倍，其電壓幅值大大超過了電壓互感器絕緣層和對地空氣絕緣間隙所能耐受的電壓幅值．并在絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿，造成相間短路，形成相間弧光短路，終引起火災(zāi)．燒毀配電開關(guān)設(shè)備。

       綜上所述，變電站弧光短路故障通常開始于單相接地，因?yàn)橹行渣c(diǎn)不接地運(yùn)行方式，允許出現(xiàn)單相接地后短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行，在這段時(shí)間內(nèi)，接地點(diǎn)處其易形成不穩(wěn)定的間隙性弧光接地。從而產(chǎn)生過電壓．擊穿系統(tǒng)中絕緣薄弱地方。同時(shí)強(qiáng)烈的電弧將引起兩相或相短路，形成相間弧光短路，造成電氣設(shè)備嚴(yán)重破壞，危及供電。

3．1弧光保護(hù)原理

       電弧光保護(hù)主要是通過對檢測弧光與故障電流，將總故障切除時(shí)間控制在開關(guān)柜可承受的燃弧時(shí)間內(nèi)，將弧光短路的危害降到低。電弧光保護(hù)系統(tǒng)測量的光和電擁有不同的物理性質(zhì)的參數(shù)，系統(tǒng)利用光與電相與的判據(jù)原理，當(dāng)個(gè)判據(jù)均滿足動(dòng)作要求時(shí)，發(fā)出跳閘命令動(dòng)作于斷路器跳閘(如圖2所示)。目前的電弧光保護(hù)響應(yīng)速度，從檢測電弧光到繼電器跳閘輸出僅需要5ms～7ms的時(shí)間。

3．2電弧光保護(hù)在油田電網(wǎng)的應(yīng)用

       國外在20世紀(jì)90年代初開始將弧光保護(hù)用于中低壓開關(guān)柜內(nèi)部故障保護(hù)，目前電弧光保護(hù)在歐美國家得到廣泛的應(yīng)用。中國于2000年后開始使用進(jìn)口專用母線電弧保護(hù)，2010年后國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品也已投入市場。

目前在新疆油田電網(wǎng)實(shí)際建設(shè)運(yùn)行中．對供電可靠性要求較高、停電后會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重?fù)p失的變電站(如新疆油田公司數(shù)據(jù)中~35kV變電站、克拉瑪依石化公司1#llOkV變電站)內(nèi)的6kV～35kV開關(guān)柜均安裝了電弧光保護(hù)裝置。項(xiàng)目中采用了電弧光保護(hù)裝置(如圖3所示)，在變電站內(nèi)每段10kV高壓開關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)一套電弧光保護(hù)裝置，完成在弧光短路故障下對母線和電纜頭的快速保護(hù)，可以避免弧光故障時(shí)產(chǎn)生的電弧光對設(shè)備及人員造成的嚴(yán)重傷害。在各回路的母線室、電纜頭室分別配置弧光點(diǎn)傳感器，當(dāng)母線室內(nèi)發(fā)生弧光故障時(shí)，快速斷開本段母線的進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器；電纜頭室發(fā)生弧光故障時(shí)，快速斷開出線回路斷路器而不影響母線及其他回路，故障擴(kuò)大，減少停電范圍。

       電弧光裝置由控制主單元、I／O單元、弧光傳感器以及通訊連接電纜組成。其中主控單元主要功能為接收直接弧光擴(kuò)展單元的弧光信號，對兩組三相電流、零序電流、零序電壓檢測。通過對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過電流過流和弧光雙重判據(jù)，進(jìn)行編程，發(fā)出跳閘指令。同時(shí)對所有單元持續(xù)自檢，具有斷路器失靈保護(hù)和弧光故障定位功能；弧光擴(kuò)展單元功能主要為接人多個(gè)弧光傳感器(可多接人12個(gè)弧光傳感器)解決了主控單元弧光傳感器接入接口少的問題，接收弧光信號后將弧光信號傳輸給主控單元、完成電纜頭弧光保護(hù)的跳閘輸出。弧光傳感器具有270°的檢測范圍，直接連接至弧光擴(kuò)展單元，用于弧光的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通訊電纜：在主控單元與擴(kuò)展單元和弧光傳感器之間傳輸電源、監(jiān)控信號和跳閘信號。目前弧光保護(hù)裝置的整定值應(yīng)小于主變后備保護(hù)過流I段定值，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于5ms。

裝置安裝運(yùn)行至今已近半年時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定．未發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等現(xiàn)象。

       ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費(fèi)用1500元。

（2）主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請?zhí)貏e注明。

 

       弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。

 

       隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，中低壓開關(guān)設(shè)備在電網(wǎng)與用戶之間的“樞紐"作用越來越顯著，而弧光短路故障對中低壓開關(guān)設(shè)備的損壞以及對電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來了嚴(yán)重影響。電弧光保護(hù)作為一種可以快速切除中低壓開關(guān)柜內(nèi)弧光短路故障的技術(shù)手段，具有原理簡單、動(dòng)作可靠迅速等優(yōu)點(diǎn)。因此，隨著人們對電弧光保護(hù)認(rèn)識的深入，其運(yùn)行和整定也將更加成熟和完善，在丁程實(shí)踐中推廣使用電弧光保護(hù)。消除弧光短路故障對中低壓開關(guān)設(shè)備的影響，保證用戶用電可靠性要求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.5（版）.